图像投影仪和光学组件的制作方法

文档序号:9816290阅读:629来源:国知局
图像投影仪和光学组件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图像投影仪和包含图像投影仪的光学组件,其适合在平视显示器中使 用,并且配置成实现斑点和波纹的减少。
【背景技术】
[0002] 在投影组件中,投射到投影屏幕上的光可造成降低投影图像的分辨率的斑点。例 如,在包括平视显示器的投影组件中,相干光投射到平视显示器上,从而使得投影图像出现 在平视显示器上。
[0003] 在包括平视显示器的投影组件中,平视显示器通常以透明屏幕(例如,车辆的挡风 玻璃)的形式提供;相干光投射到透明屏幕上,以使得虚拟图像在屏幕之外的某个点处可 见。透明屏幕的表面不是完全光滑的;因此,当相干光投射到透明屏幕上时,透明屏幕将使 相干光随机地漫射,从而造成随机干涉,随机干涉造成降低虚拟图像的分辨率的斑点。
[0004] 为了解决出现在包括平视显示器的投影组件中的这种斑点问题,已知的是提供显 微透镜阵列形式(或显微镜阵列形式)的平视显示器。显微透镜阵列中的每个透镜的表面是 完全光滑的,因此它将不使它所接收的相干光随机地漫射;因此,不造成随机干涉或斑点。 但是,当相干光投射到显微透镜阵列上时,显微透镜阵列将造成称为波纹的规则衍射和规 则干涉。波纹作为虚拟图像上的强度变化出现;因此,波纹有损投影图像的质量。
[0005] 现有技术中的许多解决方案专有地解决了斑点或波纹的问题,但是没有一种解决 方案提供同时解决两个问题的单个充足的解决方案。US20040257664公开一种针对斑点的 解决方案,但是该解决方案不能有效减少波纹,因为该系统没有配置成在多光束之间形成 一定角度,由此通过使第二光束的干涉最大值在第一光束的干涉最大值之间配合来允许用 第二光束的干涉平均第一光束的干涉。
[0006] 现有技术的其它解决方案利用防波纹滤光器或防混淆滤光器,但是这些解决方案 没有提供手段来实现充分的斑点减少;而且,这些解决方案没有并入诸如显微透镜阵列的 斑点减少手段,因为它们投射偏振光,并且显微透镜阵列无法减少偏振光中的斑点,因为显 微透镜的斑点或波纹图案对于偏振的两个正交方向是相同的。
[0007] 本发明的目的是缓解或消除上述问题中的至少一些问题。

【发明内容】

[0008] 根据本发明的一个方面,提供一种图像投影仪,它包括:用于提供光束的光源; MEMS镜,布置成使得它可以接收光束,并且可以围绕至少一个振荡轴振荡以便扫描所述光 束;一个或多个多光束生成器,所述一个或多个多光束生成器中的每个多光束生成器包括 布置成接收由MEMS镜反射的光束的平面分束器以及可接收光束中透射穿过平面分束器的 部分的平面反射器,从而使得所述一个或多个多光束生成器中的每个多光束生成器可以生 成多个光束,并且其中平面分束器和平面反射器布置成平行;以及聚焦透镜,布置成接收由 所述一个或多个多光束生成器生成的多个光束;其中,在所述一个或多个多光束生成器的 每个多光束生成器中,平面分束器和平面反射器之间的距离(h)使得平面分束器和平面反 射器之间的光学距离(0D)大于或等于光束的相干长度的一半。
[0009] 优选地,光束是准直光束。优选地,光源配置成提供准直光束。
[0010] 所述一个或多个多光束生成器可以包括定义平面分束器的平面分束器元件以及 定义平面反射器的平面反射器元件,平面分束器元件和平面反射器元件平行布置并且隔开 一定距离,以使得在平面分束器元件和平面反射器元件之间存在空气间隙,并且其中光学 距离(0D)定义为:
[0013]其中't'是平面分束器元件的厚度,'ΘΓ是光束在平面分束器元件上的入射角, 'ηΓ是光束在入射在平面分束器元件上之前经过的材料的折射率,'η'是平面分束器元件 的折射率,'h'是平面分束器元件和平面反射器元件之间的距离,'η3'是空气间隙中的空气 的折射率。
[0014]所述一个或多个多光束生成器可以包括:透明材料块;位于透明材料块的第一表 面上的半反射材料平面涂层,它定义平面分束器;以及提供在该透明材料块的第二相对表 面上的反射材料平面涂层,它定义平面反射器,并且其中光学距离(0D)定义为:
[0016]其中h是半反射材料涂层和反射材料涂层之间的距离,并且02是:
[0018] 其中' Θ, '是光束在半反射材料平面涂层上的入射角(Α0Ι),'ηΓ是光束在入射在 半反射材料平面涂层上之前经过的材料的折射率,'η'是半反射材料平面涂层的折射率。
[0019] 图像投影仪可以包括布置成进行光学通信的多个多光束生成器,并且其中所述多 个多光束生成器中的每个多光束生成器的平面分束器和平面反射器位于不同定向的平面 上或布置成平行于不同定向的平面。
[0020] 平面分束器可以配置成具有40%反射-60%透射的分束比。优选地,平面分束器配 置成具有45 %反射和55 %透射的分束比。
[0021] 平面分束器可以布置成使得光束中透射穿过平面分束器并由平面反射器反射的 部分可以直接传到聚焦透镜,而不经过平面分束器。例如,平面分束器的位置可以从平面反 射器的位置偏移,以使得平面分束器不完全覆盖平面反射器。或者,平面分束器可以具有比 平面反射器小的尺寸,以使得平面分束器不完全覆盖平面反射器。偏移定位和更小尺寸的 组合也是可能的。
[0022] 根据本发明的一个方面,提供一种光学组件,它包括:根据前述权利要求中任一权 利要求所述的图像投影仪;布置成接收经过聚焦透镜的光的屏幕,其中屏幕配置成使它接 收的光漫射;以及平视显示器,布置成接收由屏幕漫射的光。
[0023] 屏幕优选是漫射体;屏幕可以是显微透镜阵列、显微镜阵列或白板。
[0024] 优选地,图像投影仪定位成使得图像投影仪的聚焦透镜位于距离屏幕等于聚焦透 镜的焦距的距离的位置。
[0025] 光学组件可以配置成具有大于观看者的数值孔径的数值孔径。优选地,光学组件 可以配置成具有大于代表观看者的数值孔径的预定义数值孔径值的数值孔径。最优选地, 光学组件可以配置成具有大于0.016的数值孔径。光学组件的数值孔径定义为(d/2)/ (F.Μ),其中Μ是平视显示器的放大倍数,F是聚焦透镜的焦距,并且d是从多光束生成器输出 的两个连续多光束之间在所述多光束入射在聚焦透镜上之前的距离。
[0026] 光学组件可以配置成使得' d '满足以下条件:
[0027] d = 2(t tan02+h tan03)cos9i
[0030]其中' t '是平面分束器的厚度,' '是光束在平面分束器上的入射角(AOI),'ηΓ 是光束在入射在平面分束器上之前经过的材料的折射率,'η'是平面分束器的折射率,'h' 是平面分束器和平面反射器之间的距离,'n3'是占据平面分束器和平面反射器之间的空间 的材料的折射率。例如,'t'可以是平面分束器元件的厚度,'Θ,'可以是光束在平面分束器 元件上的入射角(Α0Ι ),'ηΓ是光束在入射在平面分束器元件上之前经过的材料的折射率 (例如,'ηΓ可以是空气的折射率),'η'可以是平面分束器元件的折射率,'h'是平面分束器 元件和平面反射器元件之间的距离,' n3 '是占据平面分束器元件和平面反射器元件之间的 空间的材料的折射率(例如,'n3'可以是空气的折射率)。
[0031 ]光学组件可以配置成使得' d '满足以下条件:
[0033] 其中'h'是平面分束器和平面光束反射器之间的距离,η是平面分束器和平面光束 反射器之间的材料的折射率,θ,是光束在半反射材料涂层上的入射角。例如,'h'可以是提 供在透明块的表面上的半反射材料涂层和提供在透明块的相对表面上的反射材料涂层之 间的距离,η可以是透明块的折射率,9 1可以是光束在半反射材料涂层上的入射角。
[0034] 光学组件可以配置成使得' d '满足以下条件:
[0036]其中F是聚焦透镜的焦距,k是作为多光束生成器的阶的整数,并且θρ等于:
[0038]其中λ是光束的波长,并且'Ρ'是显微透镜阵列的节距。
[0039] k可以是任何整数0、1、2、3、4一,它优选应当选择成使得它将使得00大于或等于相 干光束的相干长度的一半。它也可以选择成使得确保,对于光束中所使用的所有波长A,0D 大于或等于相干光束的相干长度的一半(例如,在h = 5.12的情况下,对于红色、绿色和蓝色 光束,分别选择k = 4、5、6)。
[0040] 光学组件可以配置成使得平面分束器和平面反射器之间的距离'h'等于:
[0042]其中'η'是平面分束器和平面反射器之间的材料的折射率,θ,是光束在分束器上 的入射角,并且'd'是从多光束生成器输出的两个连续多光束之间在所述多光束入射在聚 焦透镜上之前的距离。
[0043] 优选地,平面分束器和平面反射器之间的距离'h'介于0.5mm和10mm之间。更优选 地,平面分束器和平面反射器之间的距离' h '介于之间。
[0044]屏幕可以包括显微透镜阵列。显微透镜阵列可以包括不同尺寸的显微透镜,以使 得显微透镜阵列在显微透镜阵列中的显微透镜之间具有多个不同的节距长度。
[0045]屏幕可以包括显微镜阵列。显微镜阵列可以包括不同尺寸的显微镜,以使得显微 镜阵列在显微镜之间具有多个不同的节距长度。连续显微透镜或显微镜之间的节距(P)可 以等于:
[0046] P=(Peff/cos0scan)
[0047] 其中Peff是预定义有效节距值,并且0scan是来自投影仪装置的光在显微透镜或显 微镜上的入射角。通常,预定义有效节距值将是用户希望所扫描的光在入射在显微透镜/显 微镜阵列上时经历的节距值。由于P沿扫描角度变化(即,显微透镜或显微镜的尺寸变化(随 扫描方向增大或减小)),所以Prff在整个扫描角度中在预定义值保持恒定。
[0048] 连续显微透镜或显微镜之间的节距(P)可以等于:
[0050]其中k是作为多光束生成器的阶的整数,是光束在平面分束器上的入射角,F是 准直透镜的焦距,λ是光束的波长,'h'是平面分束器和平面反射器之间的距离,η是平面分 束器和平面反射器之间的材料的折射率。
[00511在另一个实施例中,来自光源的独立的红色、绿色和蓝色光束的连续发射与ΜΕΜΕ 镜的振荡同步,以使得红色、绿色和蓝色光束入射在聚焦透镜的预定义相应点上,从而补偿 色差,以确保红色、绿色和蓝色光束由聚焦透镜聚焦到屏幕的相同点上。优选地,红色、绿色 和蓝色光束定义像素的红色、绿色和蓝色;并且因此,每个光束中的红光、绿光和蓝光的量 与即将投影的像素中的红光、绿光和蓝光的量成比例。
【附图说明】
[0052]借助于仅通过示例方式给出并由附图图示的本发明的实施例的描述将更好地理 解本发明,附图中:
[0053]图1示出根据本发明一个实施例的光学组件的平面图;
[0054]图2示出根据本发明另一个实施例的光学组件的透视图;
[0055] 图3示出根据本发明另一个实施例的光学组件的透视图;
[0056] 图4示出根据本发明一个实施例的光学组件的平面图;
[0057]图5a提供可在本发明的光学组件中使用的屏幕的备选配置的正视图;图5b示出由 于使用标准显微透镜阵列作为屏幕而引起的问题;
[0058]图6提供根据本发明另一个实施例的光学组件的透视图;
[0059] 图7示出一个光束的干涉图案的最大值覆盖另一光束的干涉图案的最小值。
【具体实施方式】
[0060] 图1示出根据本发明一个实施例的光学组件1的平面图。光学组件1包括根据本发 明一个实施例的图像投影仪2和显微透镜阵列3形式的屏幕3。显微
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